Premelting at the ice–SiO2 interface : a high-energy x-ray microbeam diffraction study

Abstract

Interfacial melting of ice in contact with SiO2 has been studied with a novel high-energy x-ray microbeam diffraction scheme. Ice and water are abundant on Earth, of paramount importance for the biosphere, and part of our everyday life. Despite the apparent simplicity of the water molecule, H2O has astonishing and often anomalous properties of which many are still not completely understood. The melting of ice is of particular interest and is known to show surface melting, i.e. the appearance of a thin (quasi)liquid layer at the surface of ice at temperatures below the bulk melting point. In this study, the melting of ice in contact with another solid material, SiO2, has been investigated. This system might serve as a model for ice-rock interfaces in nature. Samples have been prepared from single crystals of ice and a sample environment incorporating a very stable temperature control system has been constructed. A recently developed x-ray diffraction scheme has been used, which is based on high-energy x-ray radiation produced at 3rd generation synchrotrons and x-ray focusing optics. X-ray reflectivity measurements reveal the formation of a thin nanosized liquid layer starting at about -20°C. The growth of the layer thickness with temperature has been measured and related to theoretical predictions. The influence of substrate roughness on the interfacial melting has been investigated and a strong enhancement of the growth law by roughness could be observed. The confined water in the premelting layer has a strongly increased density close to that of high-density amorphous ice (HDA). This suggests a structural relationship with the proposed high-density water corresponding to HDA.

In dieser Arbeit wurde das Grenzflächenschmelzen von Eis in Kontakt mit SiO2 mittels einer neuartigen Röntgenbeugungstechnik untersucht, die auf hochenergetischen Mikrostrahlen basiert. Eis und Wasser sind allgegenwärtig und von größter Bedeutung für unsere Biosphäre. Trotz des scheinbar einfachen Aufbaus des Wassermoleküls zeigt H2O eine Reihe erstaunlicher und anomaler Eigenschaften, die immer noch nicht vollständig verstanden sind. Ein besonders interessanter Vorgang ist das Schmelzen von Eis, bei dem das so genannte Oberflächenschmelzen auftritt: Es kommt schon unterhalb des eigentlichen Schmelzpunkts zur Bildung einer dünnen (quasi)flüssigen Schicht an der Oberfläche. In dieser Arbeit wurde nun das Schmelzen von Eis im Kontakt mit einem anderen Festkörper, hier SiO2, untersucht. Dieses System kann als vereinfachtes Modell von Eis-Fels-Grenzflächen betrachtet werden, wie sie in der Natur vorkommen. Die Proben wurden aus Eis-Einkristallen hergestellt. Eine eigens konstruierte Probenumgebung erlaubte einer sehr stabile Regelung der Probentemperatur. Für die Röntgenbeugungsmessungen kam eine erst kürzlich entwickelte Technik zum Einsatz, die auf hochenergetischer Synchrotronstrahlung und mittels Röntgenlinsen fokussierten Strahlen basiert. Röntgenreflektivitätsmessungen ermöglichten es, die Bildung einer dünnen, nur wenige Nanometer dicken flüssigen Schicht ab Temperaturen von etwa -20°C zu beobachten. Es konnte das Wachstum dieser Schicht mit steigender Temperatur gemessen und mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden. Es zeigte sich, dass das Grenzflächenschmelzen durch Grenflächenrauigkeit deutlich verstärkt werden kann. Die experimentell bestimmte Dichte der dünnen flüssigen Schicht liegt deutlich über der von Wasser und nahe bei dem Wert, der für hochdichtes amorphes Eis (HDA) bekannt ist. Dies legt nahe, dass die flüssige Schicht eine ähnliche Struktur aufweist, wie das postulierte hochdichte Wasser, die zu HDA korrespondierende flüssige Form.